巷道开挖应力旋转路径下弱胶结软岩剪应力–应变及非共轴特性研究

为探究巷道开挖引起的主应力旋转路径演化规律及其诱发的岩体变形问题,以弱胶结软岩巷道为工程背景,建立弱胶结软岩巷道开挖扰动数值计算模型,研究巷道开挖诱发的围岩主应力大小和方向演化规律,确定开挖扰动旋转应力路径试验加载状态参数。开展弱胶结软岩空心扭剪试验,研究9种开挖扰动应力旋转路径下弱胶结软岩剪应力–应变–掘进距离空间曲线特征及(σ_(z)-σ_(θ))-2τ_(zθ)应力平面内的非共轴角变化规律。结果表明:随着巷道开挖,监测面位置巷道围岩底板、顶板和两帮的主应力大小和方向均发生显著变化,特别是在巷道2D范围内,发生了强烈的主应力方向旋转和应力量值突变。开挖扰动应力路径下巷道围岩剪应力–应变曲线呈现“V”,“Z”,“N”型发展形式。开挖扰动引起的主应力旋转造成了弱胶结软岩应变增量方向和应力方向的非共轴性,巷道底板、顶板和两帮扰动应力路径作用下,弱胶结软岩非共轴角最大值分别为52.8°,-22.3°和30.6°。研究成果将有助于揭示巷道开挖卸荷引起的主应力旋转路径下岩体非共轴塑性变形演化机制,提高地下工程设计水平以及灾害防治能力。

定向剪切应力路径下类弱胶结软岩椭圆各向异性强度准则

地下工程开挖卸荷引起的围岩应力重分布将影响弱胶结软岩强度,导致巷道围岩产生不均匀大变形,甚至造成塌方、冒顶等安全事故。以膨润土、风积砂、石膏粉和滑石粉为原料制备类弱胶结软岩试样,利用GDS SSHCA空心圆柱扭剪仪开展主应力定向剪切试验,研究大主应力方向对弱胶结软岩应力–应变曲线、峰值应力(变)和抗剪强度的影响规律,探索主应力方向诱导的弱胶结软岩强度各向异性特征。结果表明:当0°<α<45°时(α为大主应力与竖直方向的夹角),试样产生轴向压应变和剪应变,且随着α的增加,试样轴向应变占比逐渐减小,剪应变占比逐渐增加;当α=45°时,试样以剪应变为主,并伴随体积扩容现象;当45°<α<90°时,试样受侧向挤压产生轴向拉应变与剪应变。当0°≤α≤30°时,峰值剪应力比(τ_(zθ)/p’)max随α的增加逐渐增大;而当30°<α≤90°时,(τ_(zθ)/p’)max则随着α的增加逐渐减小;当α=30°时,(τ_(zθ)/p’)max=0.81,为最大值,这表明软岩具有显著的各向异性特征。基于峰值剪应力比演化特征,假设(τ_(zθ)/p’)max包络线为椭圆形,建立一个可描述弱胶结软岩各向异性的椭圆强度准则。利用三轴试验和纯剪试验确定模型参数并依据定向剪切试验结果验证模型的可靠性。研究成果可为地下工程围岩变形控制与灾害防治提供理论支撑。

主应力方向诱导风积土各向异性强度准则及试验验证

为探究岩土材料的各向异性与应力方向性力学行为,以辽西风积土为研究对象,利用空心圆柱扭剪仪(GDS-SSHCA)开展主应力方向角分别为0°,15°,22.5°,30°,45°,60°,67.5°,75°和90°的定向剪切试验,研究不同大主应力方向作用时风积土剪应力–剪应变曲线变化规律和各向异性强度特征。试验结果表明:当α≤30°时,土体的剪切强度随着α的增大而增大;当α>30°时,土体的剪切强度随着α的增大而减小。不同大主应力方向定向剪切时风积土试样强度存在显著的各向异性。在试验结果的基础上,基于等效应力思路,采用组构–应力坐标变换,综合考虑应力、组构的大小及应力–组构的方向关系,建立风积土的等效修正各向异性Lade-Duncan准则(EL-D准则)并利用定向剪切试验结果验证所建立的各向异性准则的可靠性。结果表明,所建立的EL-D准则可以较好的描述应力诱导的风积土各向异性强度特征。研究成果可为岩土材料各向异性研究和风积土工程灾害防治提供科学支撑。